多孔硅一维光子晶体生物传感器的研究

论文摘要

一维光子晶体是介电常数在一个空间方向上呈周期变化的分层介质，而在垂直于介质层的方向上，折射率是空间坐标的一维周期性函数。近些年来，基于多孔硅材料的光子晶体生物传感器因其同时具有多孔硅大的内表面积、硅基等特点，以及光子晶体传感器灵敏度高、响应快、实时性好、免标记、可遥控、结构紧凑、无电磁干扰和安全性高等特性而得到了较多的研究。其中，一维多孔硅光子晶体生物传感器制备简单、造价低廉，研究也最为广泛。但是目前各种一维结构多孔硅光子晶体生物传感器的研究均是在假设认为较小的生物分子在多层多孔硅结构中应呈均匀分布的基础上，而有关生物分子在多层多孔硅结构中的实际分布研究尚未见研究报道。考虑到在多孔硅基生物传感器的实际商业开发中，生物分子是否均匀分布在多孔硅多层中对于一维多孔硅光子晶体的设计研发有很重要的意义，因此，本文利用一维多孔硅光子晶体的反射光谱分析技术结合多层多孔硅的转移矩阵理论，实验与理论上分别对比研究了小生物分子在一维多孔硅光子晶体中个层次的分布情况。本文采用电化学腐蚀方法实验制备出一维多孔硅微腔结构，通过滴加APTES试剂并测量了APTES小分子充分进入到一维多孔硅微腔前后的反射光谱；并同时对比进行了理论仿真了小分子进入到一维多孔硅微腔前后的反射光谱。通过光谱的分析，研究发现即使生物分子体积相对多孔硅孔径足够小，生物分子在多层多孔硅中也不是均匀地分布在每一层中，并且很难进入到多层多孔硅的底部层次，此项研究也提示我们在多孔硅基生物传感器的实际商业开发中应该尽可能选用层次较少或平面光子器件结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 生物传感器的概念
• 1.2 生物传感器的原理及优点
• 1.3 生物传感器的种类
• 1.3.1 场效应管生物传感器
• 1.3.2 光学生物传感器
• 1.3.3 压电生物传感器
• 1.3.4 声波道生物传感器
• 1.3.5 酶电极生物传感器
• 1.4 生物传感器的应用
• 1.4.1 生物传感器应运用于食品
• 1.4.2 生物传感器应用于环境监测
• 1.4.3 生物传感器在发酵工业中的应用
• 1.4.4 生物传感器在医学领域的应用
• 1.5 研究多孔硅生物传感器的现状
• 1.6 本文的主要工作及意义
• 第二章 一维光子晶体理论基础
• 2.1 光子晶体的概述
• 2.2 一维光子晶体介绍
• 2.3 一维光子晶体特性
• 2.4 一维光子晶体的理论计算方法---转移矩阵法
• 2.5 光子晶体生物传感器
• 2.6 光子晶体研究与应用
• 2.7 多孔硅一维光子晶体基本理论
• 2.8 本章总结
• 第三章 多孔硅生物传感器的制备及其功能化处理
• 3.1 多孔硅材料概述
• 3.2 多孔硅的形成原理
• 3.3
• 3.3.1 P 型单晶硅的电化学阳极腐蚀制备多孔硅
• 3.3.2 N 型单晶硅的电化学阳极腐蚀制备多孔硅
• 3.4 多孔硅后处理
• 3.4.1 实验条件和过程
• 3.4.2 多孔硅后处理结果讨论
• 3.5 小结
• 第四章 一维多孔硅光子晶体中生物分子的分布研究
• 4.1 多孔硅一维光子晶体微腔结构
• 4.2 多孔硅一维光子晶体微腔的结构特性
• 4.3 传感器的制备
• 4.3.1 多孔硅光子晶体的制备
• 4.3.2 多孔硅的热氧化处理及硅烷化
• 4.4 实验结果分析与讨论
• 4.5 结论
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 后继工作展望
• 参考文献
• 研究生阶段发表论文清单
• 致谢